急傾斜露天煤層高溫火區(qū)爆破安全技術實踐

萬小龍，蘭小平

（新疆天河爆破工程有限公司，新疆庫車 842000）

露天煤礦急傾斜煤層由于其煤層賦存的特點，煤層間相互的垂直作用力相對較小，層間存在著更多的原生裂隙，使得空氣較容易進入，且自然發(fā)火的煤層由于層間垂直方向上的較大裂隙，火苗會在較短時間沿著垂直向的煤層間裂隙向上快速發(fā)展，這就給火區(qū)治理工作帶來了更大難度，火區(qū)爆破安全風險增大，本文在國內(nèi)現(xiàn)有露天煤礦高溫火區(qū)爆破技術的基礎上，采用快速滅火和注水爆破等綜合技術，實現(xiàn)了急傾斜煤層高溫火區(qū)的安全治理，為同行提供依據(jù)。

1 工程概況及研究現(xiàn)狀

1.1 工程簡介

新疆大宛其煤礦位于新疆阿克蘇市至拜城縣約180km 處，拜城縣北東45km，屬于新疆庫拜煤田，新疆庫拜煤田位于阿克蘇市，分布在庫車縣、拜城縣及溫宿縣，呈近似東西走向的長條狀，地層總體為近東西走向，向南傾斜，傾角一般52°～83°，具有西部緩、中部陡（局部直立倒轉(zhuǎn)）、東部緩的特征[1]，煤炭變質(zhì)程度高、煤質(zhì)好，煤層傾角大、局部近似直立，煤層露頭長度大，為稀缺煤炭資源。

大宛其煤礦共有可采—局部可采煤層16 層，可采煤層平均總厚度為40.92m。目前施工區(qū)域為礦區(qū)東西邊界向中部延伸。礦區(qū)共劃分4 個施工區(qū)，分別為第一、二、三、五施工區(qū)，項目部承接的區(qū)段為第二、三施工區(qū)。地形主要以山地為主，北部為天山山脈，南部為沖積扇溝壑谷地。地質(zhì)條件較為復雜。首先巖層傾角83°，巖層走向為東西走向，巖層傾向南偏西10°。其次地質(zhì)構造以層狀發(fā)育為主，巖層構造復雜。巖石種類主要以砂巖為主，也存在片巖、泥巖，巖石普氏硬度在6～8左右。

大宛其煤礦火區(qū)主要位于二工區(qū)1750～1680m 東山頭區(qū)域，臺階高度10m，目前共形成開采臺階7個，均不同程度存在高溫火區(qū)，溫度從55℃～400℃之間，現(xiàn)場具體情況見圖1。

圖1 大宛其煤礦火區(qū)現(xiàn)場照片

圖2 徠卡全自動監(jiān)測機器

圖3 拓普康固定翼測繪無人機

圖4 手持式熱成像測溫儀

圖5 火區(qū)分區(qū)

1.2 國內(nèi)近年來露天煤礦高溫火區(qū)爆破研究現(xiàn)狀

國內(nèi)在內(nèi)蒙、山西、寧夏等地，對于露天煤礦高溫火區(qū)的爆破技術和組織管理方式實踐已較為豐富和成熟，大多數(shù)主要采取的測溫、滅火降溫和爆破綜合技術，選用耐高溫爆破器材、藥包隔熱防護和特殊起爆方法等綜合防治技術，但這些研究往往忽視了不同煤層賦存對于火區(qū)降溫爆破的影響程度，針對急傾斜煤層高溫火區(qū)爆破安全技術的研究均較少，由于急傾斜煤層露天火區(qū)存在著回溫速度快、降溫難度大等特點，值得爆破同行們共同努力。

1.2.1 炮孔測溫方面

高溫孔測溫一般均使用手持式紅外熱成像測溫儀，近年來，有些單位采用全孔深測溫裝置能夠便捷、快速、準確地檢測炮孔全孔深的溫度[4]，有效克服常規(guī)測溫手段的不足。

1.2.2 滅火降溫方面

高溫孔滅火降溫方面主要采用注水降溫法進行高溫孔澆水降溫工作，在寧煤大峰露天煤礦研發(fā)出了水中加CaCl2、MgCl2的炮孔注水降溫方法[2]，均取得了較好的效果。束學來、鄭炳旭等在寧夏寧煤汝箕溝火區(qū)注液氮、液態(tài)二氧化碳可以使炮孔快速降溫，可以在炮孔溫度極高或者降不下來的情況下使用，注水降溫方法經(jīng)濟方便，效果優(yōu)良，可以在火區(qū)爆破炮孔降溫中大量使用[7]。

1.2.3 爆破技術方面

目前國內(nèi)高溫孔裝藥一般一次性裝藥爆破規(guī)?？刂瓶讛?shù)10 個左右，易普力在寧夏大峰礦達到45 個，均采用在裝藥前先連接好網(wǎng)路并做好安全警戒，最后進行裝藥爆破的反程序作業(yè)法，從炸藥到起爆時間控制在10min之內(nèi)，爆后檢查時間不少于15min。

張杰、郝新民等在鄂爾多斯鄂托克旗以及烏海周邊地區(qū)露天煤礦高溫爆破時，針對少數(shù)難以降溫或降溫回溫很快的炮孔，就必須使用隔熱材料進行隔離裝藥。目前使用的隔熱材料有PVC管、竹筒、石棉類隔熱材料以及海泡石等。海泡石制作隔熱被筒里外溫差可達到100℃以上，價格只是一般石棉類的2/3。使用PVC管間隔裝藥，操作量較小且簡單方便，裝藥密度均衡，對于中、低溫炮孔不需要專門制作起爆藥包，保證了爆破器材起爆的可靠性[9]。

1.2.4 施工組織方面

從組織管理模式方面，一般均采用定人定責任，加強培訓和技術交底，嚴格控制作業(yè)現(xiàn)場人員的數(shù)量，有些單位采用成組炮孔和雙人制的爆破作業(yè)組織方式[3]，避免了爆破裝藥現(xiàn)場組織管理混亂，縮短了裝藥和起爆的時間，提高了爆破作業(yè)的安全保障能力。謝錢斌等在寧夏大石頭礦高溫火區(qū)爆破中采用PDCA 循環(huán)管理與高溫火區(qū)爆破鉆孔、裝藥、聯(lián)網(wǎng)及起爆、爆后檢查各工序施工結合起來，對促進高溫爆破施工管理起到了推動作用[9]。

2 急傾斜煤層開采特點與火區(qū)治理的難點

急傾斜煤層在我國已探明的儲量中占4%，全國有70 個煤田開采急傾斜煤層，主要開采急傾斜煤層的礦井有100多個，與緩傾斜煤層相比，急傾斜煤層在進行火區(qū)治理時存在以下難點：

（1）急傾斜煤層的傾角大于巖石安息角，急傾斜煤層都經(jīng)歷過強烈的地質(zhì)變動，地質(zhì)構造較復雜，賦存不穩(wěn)定；

（2）急傾斜煤層在開采過程中比緩傾斜煤層和傾斜煤層更加容易自燃發(fā)火，且火速和回溫速度較快，火區(qū)治理更加困難；

（3）當采空區(qū)已經(jīng)發(fā)火，也往往難以隔離處理，災情難以一次性消除[5]。

為了加強急傾斜煤層開采的安全管理，針對目前急傾斜煤層安全開采和火區(qū)治理存在的問題，2007年3月份和2015 年5 月，原國家煤礦安全監(jiān)察局和新疆煤礦安全監(jiān)察局分別下發(fā)了有關急傾斜煤層安全開采的指導意見（煤安監(jiān)技裝[2007]5號）和加強急傾斜煤層安全管理的緊急通知。

3 高溫火區(qū)爆破綜合安全技術

3.1 高溫火區(qū)爆破總體方案

根據(jù)大宛其煤礦高溫火區(qū)特點及相關規(guī)定，大宛其煤礦高溫火區(qū)爆破作業(yè)總體方案，采用鉆孔前采用火區(qū)勘測與分區(qū)技術，鉆孔后采用火區(qū)綜合滅火與降溫技術，爆破作業(yè)采用反程序爆破工法即：清場警戒—聯(lián)網(wǎng)—裝藥—起爆—爆后檢查的工藝方案。

3.2 火區(qū)勘測與分區(qū)

為了全面掌握和控制高溫火區(qū)分布與溫度，大宛其煤礦采用徠卡全自動監(jiān)測機器人對邊坡進行全天候在線監(jiān)測，拓普康固定翼無人機航測技術對塌陷區(qū)勘測與定位技術火區(qū)精確定位，采用?？低旽36 型熱了火區(qū)高溫孔降溫效率，減少了傳統(tǒng)由于只靠幾根主管道澆水，水壓和水量過大造成毀孔嚴重的問題，“樹杈狀多管路三級注水法”第三級小軟管成本低，爆破前可不予撤離，也保證了在裝藥前每個炮孔均能澆上水，第三級注水采用小的塑料軟管，現(xiàn)場操作方便，減少了澆水人員，加快了高溫火區(qū)爆破及剝離的整體進度，保證了安全，具體見圖6。

圖6 樹杈狀多管路三級注水法

3.3 滅火與降溫技術

為了對高溫火區(qū)進行滅火與降溫，保證爆破作業(yè)的正常進行，大宛其煤礦采用精細化炮孔注水降溫與剝挖法配合，對高溫火區(qū)進行滅火與降溫工作，從剛開始的“粗放式注水降溫”到最后采用精細化的“樹杈狀多管路三級注水法”，取得了較好的效果。“樹杈狀多管路三級注水法”，第一級是采用一根120mm的主供水管路供水，第二級是采用多路60mm區(qū)間的水管將水引至各個爆破區(qū)域，第三級是采用30mm的多路軟管將水引至各個炮孔，為了保證注完水和裝藥完成后快速撤離，第一級主管路和第二級區(qū)間管理設置在爆破飛石飛散距離之外，通過實施“樹杈狀多管路三級注水法”，提高成像測溫儀對火區(qū)表面和炮孔溫度進行測量，根據(jù)火區(qū)溫度高低和分布，將火區(qū)分為三個區(qū)域，分別為低溫區(qū)（炮孔溫度在60℃以下且保持穩(wěn)定區(qū)域）、高溫區(qū)（炮孔溫度在60℃～80℃且注水后溫度能快速將至80℃以下且回溫超過30min的區(qū)域）、異常高溫區(qū)（炮孔溫度在80℃～90℃或者炮孔溫度超過80℃且溫度變化異常區(qū)域），具體見圖2～圖5。

3.4 爆破參數(shù)與施工技術

（1）孔傾角、孔徑和孔深的選擇。大宛其煤礦爆破參數(shù)的具體選擇見表1。

表1 爆破參數(shù)表（單位：m）

（2）爆破器材的選擇。

①炸藥的選擇：根據(jù)相關試驗和研究，2#巖石乳化炸藥能在90℃高溫環(huán)境下保持4h 后仍然能正常起爆，周新利等用巖石乳化炸藥進行試驗，發(fā)現(xiàn)乳化炸藥在251.19℃度高溫時才快速發(fā)生分解[6]。

②起爆器材的選擇：根據(jù)相關試驗和研究，普通導爆索能在100℃高溫下保持2～10d 后仍然正常起爆，故根據(jù)《爆破安全規(guī)程》GB6722相關規(guī)定，孔內(nèi)起爆器材選擇導爆索起爆。

③孔外傳爆器材：根據(jù)現(xiàn)場經(jīng)常性測溫，地表溫度均保持低于50℃，普通導爆管在90℃的高溫下能夠保證正常傳爆[10]，故孔外采用高強度導爆管雷管進行傳爆能夠保證安全。

（3）警戒與網(wǎng)路連接。為了保證能夠在最短時間了完成高溫孔的裝藥和爆破作業(yè)，采用反程序爆破作業(yè)法，即在裝藥前先進行網(wǎng)路連接和爆破安全警戒，由于高溫孔裝藥至撤離的時間原則上應為最短，所以大部分現(xiàn)場爆破作業(yè)均采取弱填塞或不填塞作業(yè)，所以應加大爆破警戒范圍至500m 且所有人員均應在避炮掩體下進行警戒和起爆工作，待網(wǎng)路連接和周圍無關人員和機械清除出安全范圍外后再進行裝藥工作。

（4）裝藥前的檢測與隔熱處理。針對低溫區(qū)和高溫區(qū)，經(jīng)過多次現(xiàn)場試驗和實踐，一般能夠保證在鉆孔完成后24h將孔溫降到60℃以下，采用在裝藥前將孔內(nèi)水注滿后進行裝藥；針對異常高溫區(qū)，一般很難在24h將孔溫降至60℃以下，個別孔回溫速度較快，故采用在裝藥前將80mm石棉管插入炮孔中，再在石棉管內(nèi)和石棉管與孔的空隙內(nèi)均注滿水，最后再裝藥，裝藥時，按照低溫區(qū)、高溫區(qū)、異常高溫區(qū)的先后順序裝藥，對于溫度超過90℃且回溫速度較快的孔，不得裝藥。通過采用本文高溫孔爆破方案，可保證一次可最多爆破60個孔，較大提高了高溫孔爆破作業(yè)的效率和規(guī)模，具體見圖7。

圖7 炮孔隔熱降溫示意圖及使用的石棉管

（5）裝藥與堵塞。在全部炮孔進行了裝藥前的檢測合格和隔熱處理后，按照先低溫區(qū)再高溫區(qū)的順序進行裝藥，裝藥時應根據(jù)炮孔數(shù)量多少（大宛其煤礦項目最多一次性爆破60個孔且多次作業(yè)）選擇多人現(xiàn)場同時裝藥，采用2#巖石乳化柱狀藥裝藥，從開始裝藥至全部炮孔裝藥完畢所有人員撤離現(xiàn)場的時間控制在10min之內(nèi)，確保在15min之內(nèi)進行起爆。填塞采用編織袋弱填塞或不填塞，加大安全警戒距離。

（6）起爆與爆后檢查。由于在裝藥前已經(jīng)做好了周圍的安全警戒，待所有裝藥人員全部撤離至安全地點后，爆破指揮長下令進行起爆，起爆后超過15min 且確定安全后方可進入爆破現(xiàn)場進行爆破后檢查工作。

3.5 爆破施工組織

由于露天高溫火區(qū)爆破的特殊性，大宛其煤礦項目部采取了以下安全施工組織措施：

（1）作業(yè)前對作業(yè)人員進行專門篩選，并形成固定搭配，每個人分配爆破區(qū)域和炮孔，根據(jù)編號裝藥，以明確責任；

（2）提前安排專門人員進行爆區(qū)勘測和測溫，記錄炮孔溫度并分析，區(qū)域劃分，并準備爆破各項材料；

（3）為了盡量縮短從裝藥到起爆的時間間隔，高溫爆破基本都實施反程序爆破法[6]，即在裝藥前先進行周圍警戒和清場工作；

（4）遇到卡孔等裝藥異?；蜓b藥前測溫異常的孔等異常情況，應以安全第一的原則，放棄處理或不做處理，保證在預定的時間內(nèi)快速完成裝藥和爆破工作；

（5）裝藥前專門確定好現(xiàn)場爆破作業(yè)人員車輛和司機，勘察和規(guī)劃好撤離路線，司機不參與裝藥，提前發(fā)動好車輛，待全部裝藥人員上車并點名后快速撤離至安全地點；

（6）每次作業(yè)后對爆破效果和周圍環(huán)境安全情況進行檢查，并做好爆破總結工作，盡力提高爆破作業(yè)安全、質(zhì)量和效率。

4 結語

通過大宛其煤礦長期高溫火區(qū)爆破作業(yè)實踐，及以下高溫火區(qū)爆破方案和組織管理模式，可一次快速且較大規(guī)模地實施高溫火區(qū)爆破，提高了爆破作業(yè)效率和規(guī)模，能夠保證安全可靠。

（1）采用全自動監(jiān)測機器人對邊坡進行監(jiān)測、無人機航測技術、火區(qū)和塌陷區(qū)勘測與定位等等5G新型智能聯(lián)網(wǎng)技術；

（2）采用熱成像紅外測溫儀和接觸式電偶測溫儀在鉆孔后及裝藥前、裝藥過程中全過程測溫技術的應用；

（3）對于孔深超過10m深的孔，采取分層爆破和開挖，每層開挖孔深在控制6m以內(nèi)；

（4）炮孔與防護套管直徑比不耦合系數(shù)大于1.37，裝藥直徑與防護套管的不耦合系數(shù)大于1.13；

（5）采用反程序爆破法，裝藥前首先下套管（套管底部封閉以利于存水），套管下到孔底后孔內(nèi)和套管內(nèi)同時注滿水，注水后立即進行裝藥（提前連接好網(wǎng)路），裝藥后采用塑料袋等對孔口進行弱填塞或不填塞；

（6）加大警戒距離（至少500m），人員全部立即有序撤離（司機提前選擇好撤退路線，車輛提前發(fā)動著）至安全的避炮掩體內(nèi)或安全范圍以外，根據(jù)爆破指令進行起爆，待爆破15min后進行爆后檢查。